微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥腐熟速度的影响

曾 祥，江友峰，杨明开，程利芳羽，蔡江波，郑博文，冉雪松，王 岩，胡晓娜

（1.贵州茅台酒厂（集团）循环经济产业投资开发有限公司，贵州 遵义 563100；2.贵州省白酒制造业创新中心，贵州 仁怀 564500；3.郑州大学 生态与环境学院，河南 郑州 450002）

我国每年白酒酒糟产排量在2 000 万～3 000万t[1]。酒糟具有含水率高、酸度高、有机物含量高、易腐败等特点，若未得到适当处理将会严重污染环境。酒糟含有脂肪、蛋白质、纤维素、维生素、微量元素等丰富的营养成分，因此，该类有机固体废弃物具有极大的资源化潜力[2]。

目前，对白酒酒糟进行资源化利用的方式主要为饲料化、肥料化、基质化、能源化和原料化等[3]。其中，高温好氧堆肥能在好氧条件下利用微生物将有机物降解和转化，形成稳定的堆肥用于改良土壤和提高作物产量。该技术不仅可实现酒糟的减量化、无害化和资源化，而且可促进原料生产与白酒酿造之间的营养物质循环，是实现循环经济的有效途径，但目前针对如何提高白酒酒糟堆肥腐熟度的研究仍不够深入。

堆肥微生物的繁殖和活性需要适宜的环境条件，如适宜的pH 值、氧气含量等。酒糟pH 值通常在3.4～4.0，不利于微生物生长。此外，酒糟黏性较强，不利于氧气扩散，从而限制了好氧堆肥微生物的活性。总之，酒糟的特性不利于酒糟堆肥高效进行及堆肥快速腐熟[4]。WANG 等[5]通过添加碱性物质如氧化钙等提高酒糟原料的pH 值，促进了堆肥快速启动和进行。张林利等[6]、王强义等[7]通过向酒糟中添加秸秆、锯末等农业废弃物，增加堆肥原料的孔隙度，为微生物提供充足的氧气促进好氧代谢。在适宜的堆肥条件下，添加外源菌剂是加快堆肥进程和提高堆肥产品质量的有效手段。多数关于堆肥菌剂的研究主要针对农林废弃物、禽畜粪便等，针对酒糟的研究较少[8-9]。吴耀领等[10]从酒糟中筛选出3 株高效的纤维素降解菌，有效提高了酒糟堆肥的纤维素降解性能。杨新等[11]向白酒酒糟中添加复合菌剂，在50 ℃下进行试验，经7 d 培养后发现，菌剂添加使种子发芽指数提高到了70%以上，但该菌剂在长期酒糟堆肥过程中的作用未得到验证。菌剂添加对酒糟堆肥腐熟度影响的研究尚不充分，因此，需要进一步研究菌剂尤其是复合菌剂添加效果以提高酒糟堆肥产品的性能。鉴于此，拟以茅台酒厂酒糟为主要原料，通过添加钙镁磷肥调节pH 值、添加曲草调节通气性，研究复合菌剂添加对堆肥过程和腐熟度的影响，以期为白酒酒糟资源化利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

堆肥主要原料为酱香型白酒酒糟、曲草和钙镁磷肥。酒糟和曲草均取自贵州茅台酒股份有限公司。酒糟的基本理化性质如表1 所示；曲草为制曲后的风干废弃稻草，含全氮14.32 g/kg、有机碳228.27 g/kg，粉碎至2～3 cm 后使用。钙镁磷肥从湖北禹辉华龙有限公司购得，pH 值11.02，含P2O515%。

表1 白酒酒糟的理化性质Tab.1 Physicochemical characteristics of distiller’s grains

构建促进酒糟堆肥腐熟的复合菌剂所用的微生物包括耐酸且具有机物降解功能的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）及耐堆肥高温的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）[12-13]。上述3 种微生物菌剂均为粉末状，购自安琪酵母股份有限公司和山东益昊生物科技有限公司。3 种微生物菌剂的菌落形成单位数量分别为2×1010、1×1010、1×1010cfu/g，按1∶1∶1 将其混合后配制复合菌剂，以鲜酒糟质量的0.1%添加到堆体中。

1.2 试验设计与样品采集

设置2 组处理，分别为对照组（CK）和复合菌剂组（M），每组包括3 次重复。CK：每个堆体含有400 kg 新鲜酒糟，添加10 kg 曲草调节通气性，同时添加20 kg钙镁磷肥调节pH 值；M：在CK 的基础上，添加配制的复合菌剂。

采用人工堆积、自然通风的方法[10]，将物料充分混合均匀后堆置成锥体形状。堆置期间每天上午10：00 测定堆体温度，每3 d 人工翻堆一次，监测水分含量变化进行补水以维持在45%左右。搅拌均匀后进行多点取样以提高样品的代表性和同质性。所取样品一部分于4 ℃保存，另一部分风干、粉碎、过0.2 mm 筛后备用。每3 d 测定一次pH 值和电导率值，每6 d 测定一次铵态氮、硝态氮、全氮和种子发芽指数。

1.3 堆肥理化性质和种子发芽指数测定

温度采用电子温度计测定，并计算多点温度的平均值。取鲜样于鼓风干燥机中105 ℃烘干，根据烘干前后物料质量差计算堆肥样品含水率。按照样品干质量与水1∶10对堆肥样品进行浸提液制备，利用浸提液测定pH 值、电导率值等指标，并进行萝卜种子发芽培养，48 h 后测定种子发芽指数[14-15]。全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮—凯氏定氮法测定[14]，采用纳氏试剂分光光度法测定铵态氮含量，采用酚二磺酸分光光度法测定硝态氮含量[15]。

1.4 数据处理

使用Excel 2016和Origin 2020对数据进行处理和分析。在Origin 2020 中采用配对Wilcoxon 符号秩检验分析指标之间的差异，显著水平为0.05。在RStudio 1.4.1717 软件中利用LinkET 包和Psych 包分析Spearman相关系数及其显著性。

2 结果与分析

2.1 微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥温度的影响

由图1 可知，酒糟堆肥过程中环境温度为24～34 ℃。CK 和M 处理的温度变化趋势相似，堆肥过程经历了升温期、高温期和降温期3个阶段，符合高温好氧堆肥的温度变化特征。堆肥开始后堆体初始温度为45 ℃，CK 和M 处理的温度均快速升高，1 d 后分别达到52.7、53.0 ℃，随后进入高温期（＞50 ℃）。堆肥1～19 d M 处理堆体温度显著（P＜0.05）高于CK，平均升温速度提高了0.16 ℃/d，表明添加复合菌剂促进了酒糟堆体温度的升高，有利于加快堆肥腐熟。2 组堆肥均在第25 天达到最高温度，CK 和M 处理堆体温度分别为76.3、76.7 ℃。第26天后堆体温度开始下降，降温过程持续至堆肥试验结束，该过程中M 处理堆体温度显著（P＜0.05）低于CK。

图1 不同处理白酒酒糟堆肥过程中温度的变化Fig.1 Temperature changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.2 微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥pH值的影响

图2 为酒糟pH 值随堆肥时间推移而变化的过程。酒糟的初始pH值为4.20，具有较强的酸性。堆肥过程中2 组堆肥的pH 值均呈现先上升后缓慢下降的趋势。CK 和M 处理的pH 值在堆肥3 d 后分别快速升高至5.86、6.06，9 d 后分别升高至6.73、7.08。接种复合菌剂显著（P＜0.05）加快提升了酒糟堆肥1～9 d 的pH 值，pH 值平均增速提高了0.04/d，使堆肥更快达到中性环境，有利于堆肥微生物繁殖。随着堆肥进程推移，2 组堆肥堆体的pH 值逐渐升高，均在第27 天达到最高，CK 和M 处理分别为8.33、8.36。之后pH 值开始降低，堆肥结束时CK 和M 处理堆体pH值分别为8.11、8.09。

图2 不同处理白酒酒糟堆肥过程中pH值的变化Fig.2 pH value changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.3 微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥电导率值的影响

电导率值反映了堆肥过程中可溶性盐（有机、无机）含量。由图3 可以看出，2 组堆肥电导率值均表现出先上升后下降、再上升再下降的趋势。CK和M 处理的电导率值分别在第18、12 天达到最高值，分别为3.97、4.14 mS/cm。堆肥结束时CK 和M处理的电导率值分别降至2.64、2.40 mS/cm。堆肥3～12 d CK 的电导率值显著（P＜0.05）低于M 处理，而18～24、30～36 d M 处理的电导率值比CK 低了0.15～0.30 mS/cm，且差异显著（P＜0.05）。以上表明，添加复合菌剂有利于降低酒糟堆肥后期的电导率值。

图3 不同处理白酒酒糟堆肥过程中电导率值的变化Fig.3 Electrical conductivity changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4 微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥氮含量的影响

2.4.1 铵态氮含量的变化 由图4可知，CK 和M 处理的铵态氮含量变化均呈现先上升后下降再升高的趋势。随着有机氮化合物的分解，2 组处理的铵态氮含量均在第12 天达到最高值，CK 和M 处理分别为3.30、2.62 g/kg。随后2组堆肥的铵态氮含量逐渐下降，并在第30、36 天趋于稳定。堆肥12～36 d，M 处理的铵态氮含量比CK 低了20.81%～33.23%，差异显著（P＜0.05）。以上表明，添加复合菌剂降低了酒糟堆肥中铵态氮的积累。

图4 不同处理白酒酒糟堆肥过程中铵态氮含量的变化Fig.4 Ammonium nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.2 硝态氮含量的变化 由图5 可知，酒糟堆肥过程中硝态氮含量整体上呈现逐渐降低的趋势。CK 的硝态氮含量在第36 天达到最低值（0.026 g/kg）；M 处理的硝态氮含量在第24 天达到最低值（0.022 g/kg），随后略有上升，堆肥结束时为0.034 g/kg，略高于CK。硝态氮是微生物硝化作用的产物，以上表明，酒糟堆肥过程中硝化作用较弱，复合菌剂添加对硝化作用的影响较小。

图5 不同处理白酒酒糟堆肥过程中硝态氮含量的变化Fig.5 Nitrate nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.4.3 全氮含量的变化 由图6可知，CK 和M 处理的全氮含量变化趋势不同。初始全氮含量为37.70 g/kg，随着堆肥进程推移，2 组堆肥全氮含量在前12 d 逐渐降低。随后CK 全氮含量上升并趋于平稳，堆肥结束时为36.82 g/kg；M 处理的全氮含量呈现波动，最终为34.13 g/kg。与初始全氮含量相比，CK和M处理的全氮含量分别降低了2.34%、9.47%。

图6 不同处理白酒酒糟堆肥过程中全氮含量的变化Fig.6 Total nitrogen content changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.5 微生物复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥种子发芽指数的影响

种子发芽指数是反映堆肥腐熟度的重要指标。由图7可知，CK 和M 处理的发芽指数呈现相似的变化趋势。在堆肥的前18 d，2 组堆肥的种子发芽指数均在1%以下，表明酒糟对种子发芽有较强的抑制作用。堆肥24～36 d，2 组堆肥的发芽指数均呈现上升趋势，且M 处理的发芽指数显著（P＜0.05）高于CK。添加复合菌剂后酒糟堆肥的发芽指数于第30天达到70.85%。相比之下，CK 的发芽指数较低，在第30 天仅达到47.21%。以上表明，添加复合菌剂显著（P＜0.05）促进了堆肥腐熟，缩短了堆肥时间。

图7 不同处理白酒酒糟堆肥过程中种子发芽指数的变化Fig.7 Germination index changes during distiller’s grains composting with different treatments

2.6 微生物菌剂添加后白酒酒糟堆肥理化指标与发芽指数间的相关性

利用Spearman 相关性进一步分析堆肥过程中各理化指标（pH 值、电导率值、铵态氮含量、硝态氮含量和全氮含量）与种子发芽指数间的关系，结果如图8 所示。种子发芽指数与电导率值、铵态氮含量和硝态氮含量分别在0.001、0.05和0.01水平上负相关，与pH 值和全氮含量无显著相关性。对电导率值与其他理化指标间的相关性进行分析发现，仅铵态氮含量与电导率值显著（P＜0.01）正相关，说明酒糟堆肥样品中的电导率值受铵态氮含量的影响较大。电导率值和铵态氮含量均与硝态氮含量正相关，但不显著，说明堆肥过程中硝态氮含量的变化趋势与其他2个指标具有一定相似性。

图8 白酒酒糟堆肥过程中理化指标与种子发芽指数间的相关性Fig.8 Correlations between physicochemical parameters and germination index during the composting of distiller’s grains

3 结论与讨论

白酒酒糟作为堆肥原料，其特性不同于常见的农业废弃物。酒糟的高有机酸浓度、高黏度等特性不利于堆肥过程的高效进行，影响堆肥的腐熟速度。未腐熟的堆肥产品含有大量有机物如脂肪酸、苯酚等，可抑制种子萌发或植物生长，降低酒糟有机肥在农业种植中的应用价值[16]。菌剂能提高堆肥效果，但单一菌剂通常功能有限，而复合菌剂能利用不同功能微生物的协同作用，对组成复杂的堆肥原料具有更优的效果[17]。研究表明，添加复合菌剂能够有效提高堆肥温度、缩短堆肥周期、提高腐熟度等[17-18]。针对白酒酒糟堆肥腐熟强化措施较少的现状，本研究分析了复合菌剂添加对白酒酒糟堆肥过程中的理化指标和种子发芽指数的影响，指出了影响腐熟度的关键因素。

温度是反映堆肥进程和微生物活性的重要指标[19-27]。CK 和M 处理的高温期均维持了30 d，均达到了堆肥无害化处理要求[28]。复合菌剂添加在酒糟堆肥前期促进了温度快速提升，在酒糟堆肥后期促进了温度快速下降，表明前期堆肥微生物活性增强，强化了有机物的降解和转化，堆肥过程加快[29]。白酒酒糟中含有的大量有机酸，如乳酸、乙酸等，导致酒糟pH 值较低[5]。在堆肥前期微生物可降解和转化有机酸，同时分解含氮有机物释放氨，导致pH值升高[30]。在堆肥后期，由于氨挥发及硝化作用pH值开始降低。复合菌剂添加显著加快了酒糟酸性条件的改善，有利于堆肥微生物的生长和代谢，从而加速堆肥进程。堆肥初期电导率值升高可能是由于有机物在微生物的作用下逐渐分解，形成了小分子有机物和无机物（如铵根、碳酸氢根）[31]。堆肥中后期电导率值降低的原因可能是可降解有机物的减少及大分子腐植酸的形成[32]。添加复合菌剂可能通过促进小分子转化和大分子合成加快了后期电导率值的降低。

氮转化不仅与堆肥进程相关，也影响堆肥腐熟度[16]。酒糟中含氮有机物的分解造成铵态氮的积累，2 组堆肥间铵态氮含量的差异表明复合菌剂的添加显著改变了酒糟的氮转化过程。堆肥过程中硝化作用较弱，可能是由于高温期较长抑制了硝化细菌的活性[33]。堆肥过程中氮可能以氮气、氨气等形式逸散到空气中，从而造成氮损失[34]。本研究中2组堆肥的氮损失较低，有效保留了氮。

本研究中，种子发芽在酒糟堆肥前期受到抑制，在后期逐渐提升，表明对植物有毒害作用的物质逐渐减少，这与BAO 等[35]报道的种子发芽指数变化趋势一致。M 处理的种子发芽指数于第30 天达到行业标准《有机肥料》（NY/T 525—2021）[14]的要求（不低于70%），而CK 尚未达到该要求，表明复合菌剂添加加快了堆肥腐熟速度。铵态氮含量变化及相关性分析结果表明，铵态氮含量增加会抑制种子发芽，这与王国英等[36]的研究结果一致。本研究结果还表明，电导率值升高不利于种子发芽，这与胡永恒等[37]的研究结果一致。复合菌剂添加可能在后期通过增加铵态氮含量和降低电导率值实现种子发芽指数的快速提高。SHAN 等[38]的研究结果表明，硝态氮含量提高有利于种子发芽。本研究中，堆肥过程中硝态氮含量较低，硝态氮对种子发芽造成抑制作用的可能性较低[39]，硝态氮与种子发芽指数呈负相关可能是由硝态氮、铵态氮、电导率三者在堆肥过程中相似的变化趋势共同造成的。

综上，本研究中，酒糟堆体温度在第2天进入高温期并维持30 d 开始降温，达到了高温堆肥无害化处理的要求。在堆肥的第30 天M 处理的种子发芽指数已经达到70.85%，比CK 提前6 d 满足腐熟要求。结合各理化指标变化，向酒糟堆肥中添加复合菌剂可加快有机物降解和转化速率，显著提高种子发芽指数，缩短堆肥生产周期，这对白酒酒糟减量化和资源化具有重要意义。但是否存在更佳的菌剂添加量组合，能显著提升种子发芽指数、提升堆肥产品品质等，有待进一步研究探讨。